水处理污泥在结构陶瓷生产中的资源化利用：成型优化与性能分析

《Journal of Materials Research and Technology》：Valorization of water treatment sludge in the production of structural ceramics: Shaping optimization and property analysis

　　

水处理污泥（WTS）的合理处置是一项日益严峻的环境挑战。本研究提出了一种可持续的循环利用方案，将其作为替代粘土的原料应用于陶瓷材料制造。由于WTS通常在高于950 °C的温度下烧结才能达到最佳性能，较低温度的烧成往往会损害制品的性能。为了减轻这种热致密化程度降低带来的影响，研究人员优化了成型参数以提升初始颗粒堆积密度。研究人员通过响应面法和定性分析确定了参照样的压制参数（含水率和压实载荷）。将0%至100%不同比例的WTS混合物在圆柱形模具（50 × 100 mm）中成型，并在800 °C下烧成3小时。研究人员对无水样品进行了粒度分析、阿太堡界限（Atterberg limits）、热重分析（TGA/DTG）、X射线衍射（采用Rietveld方法）以及扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）测试。烧成后，分析了线性收缩率、吸水率、机械强度和烧失量。研究人员观察到烧失量（从6.19%增加至19.66%）和吸水率（从13.11%增加至42.77%）随着废物含量的增加呈比例上升。抗压强度从参照样的46.69 MPa下降至100% WTS时的7.22 MPa，其中含15% WTS的混合料表现突出，其抗压强度达到41.33 MPa。含高达20% WTS的混合料表现出与文献中相似的性质，而100% WTS样品由于其无塑性行为和高吸水性而显示出使用限制。研究人员得出结论，优化的成型工艺使得在800 °C下能够掺入高达20%的WTS，其性能超越了文献中报道的高于950 °C温度下的成果，同时结合了技术质量和环境可持续性。

研究背景与意义

随着全球城市化进程加快及工农业用水需求激增，饮用水处理规模不断扩大，随之产生的水处理污泥（WTS）产量急剧增加。WTS若未经妥善处理直接排入水体或填埋，不仅会导致水体铝浓度升高和浊度增加，破坏水生生态系统，还会因体积庞大和处理场地稀缺而推高运营成本。与此同时，传统陶瓷工业对天然粘土的过度开采已导致资源枯竭。因此，寻求WTS的资源化利用途径，将其转化为建筑陶瓷原料，既能解决环境污染问题，又能缓解粘土资源压力，具有重要的环境与经济效益。然而，现有的研究表明，WTS的掺入往往受限于烧成温度和废物含量，通常需要较高的烧结温度（900-1050 °C）来弥补低温下热致密化不足导致的力学性能下降。本研究旨在通过优化冷态成型工艺，在低烧成温度下实现WTS的高效利用，突破传统工艺的能耗瓶颈。

主要关键技术方法

研究人员选取了巴西累西腓地区常用的制砖粘土和Pirapama水处理厂的液态WTS为原料。经过干燥、球磨处理后，研究人员采用响应面法（RSM）结合操作可行性因子模型，系统优化了含水率和最大压实载荷。在此基础上，研究人员制备了WTS取代率为0%、5%、10%、15%、20%和100%的二元混合料，并在固定工艺参数（含水率10.6%，压实载荷80 kN，烧成温度800 °C）下进行成型与烧成。研究人员通过激光粒度分析、X射线荧光光谱（XRF）、热重-差热分析（TGA/DTA）、X射线衍射（XRD）结合Rietveld/PONKCS定量相分析方法，以及扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）对原料及烧成前后的样品进行了全面表征。此外，研究人员依据相关标准测定了试样的烧失量（LOI）、线性收缩率、吸水率和抗压强度。

研究结果

3.1. 材料表征

化学分析显示WTS含有较高比例的SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃，而粘土中助熔氧化物（如K₂O）含量更高。粒度分布表明两者粒径范围相近，均为宽级配。矿物学分析确认两者主要由石英、高岭石、白云母和针铁矿组成，且WTS的主要矿物相为高岭石，证实了两者在矿物学上的兼容性。热重分析揭示了三个主要的热降解阶段：自由水蒸发、有机质燃烧及水合物分解、碳酸盐分解及高岭石脱羟基。WTS的烧失量显著高于粘土，这归因于其更高的有机杂质和碳酸盐含量。

3.2. 机械压制方法参数的优化

研究人员发现水分在颗粒堆积中扮演双重角色：短时间压制时，水分作为润滑剂促进颗粒重排；长时间压制时，过量水分占据空隙并产生“润滑阻力”阻碍致密化。通过响应面模型和帕累托图分析，确立了含水率10.6%和压实载荷80 kN（约40.7 MPa）为最优参数组合。在此条件下，坯体不仅获得了最高的干体积密度和抗压强度，还兼顾了易于脱模、无裂纹的优异操作可行性。这一优化策略有效抵消了低温烧成对致密化的负面影响。

3.3. 烧成前粘土-WTS混合物的物理、热学和矿物学性质

随着WTS掺量的增加，混合料的表观密度逐渐降低，液限和塑限升高，且在WTS掺量为15%左右出现了颗粒团聚现象（表现为D50和D90增大）。热分析表明，混合料的烧失量与WTS掺量呈正相关。XRD分析证实，WTS的加入并未引入新的晶相，所有混合料在烧成前均由相似的矿物相组成，进一步验证了材料的相容性。

3.4. WTS对陶瓷混合物技术性能的影响

研究人员观察到，随着WTS掺量增加，烧失量和吸水率显著上升，而抗压强度则呈下降趋势。其中，15% WTS组表现出了优异的综合性能：抗压强度达到41.33 MPa，且线性收缩率极低（0.24%）。相比之下，100% WTS组由于完全丧失塑性且孔隙率极高，力学性能大幅衰减至7.22 MPa。方差分析（ANOVA）证实了WTS掺量对所有技术指标均具有极显著影响（p < 0.0001）。通过与文献数据的横向对比，本研究中800 °C烧成的试样在抗压强度上甚至优于其他研究中950 °C以上高温烧成的同类材料，有力证明了优化成型工艺的补偿作用。

3.5. 陶瓷混合物的形貌与微观结构

微观结构分析显示，800 °C烧成主要引发了高岭石的脱羟基反应，生成了无定形的偏高岭石。SEM图像表明，优化后的高压成型工艺诱导了显著的“填充效应”，细颗粒有效填充了粗颗粒间的空隙，形成了连续且致密的基体。然而，当WTS掺量超过20%时，过量的废物引入了微裂纹和缺陷，成为应力集中点，导致力学性能下降。EDS元素面扫结果显示，尽管微观形貌存在异质性，但主要元素（Si, Al, Fe）在基体中分布均匀，保证了结构的宏观完整性。

总结与讨论

本研究成功开发了一种通过物理成型优化来弥补热处理不足的创新策略。研究人员证实，在含水率10.6%和80 kN压实载荷的优化条件下，WTS在陶瓷基体中的掺入比例可提升至20%，且在800 °C的低温下烧成的制品力学性能优于传统高温烧成工艺。特别是15% WTS组，凭借颗粒级配优化带来的“填充效应”，实现了41.33 MPa的高强度和低收缩。此外，研究还证明，即便是在无任何粘土的情况下（100% WTS），通过优化成型也能获得具有一定强度的基体（7.22 MPa），这为未来探索零粘土陶瓷提供了可能。尽管该研究在实验室尺度上验证了技术的可行性，但未来仍需在工业规模的真空挤出工艺适应性、长期耐久性（如抗冻融性、泛碱）以及生命周期评估（LCA）等方面进行进一步验证，以确保其商业化和环境安全性的全面落地。